数字系统的设计例子.ppt

选做一到二题 数字系统设计问题 数字钟实验 设计要求 设计一个能进行时 分 秒计时的十二小时制或二十四小时制的数字钟 并具有定时与闹钟功能 能在设定的时间发出闹铃音 能非常方便地对小时 分钟和秒进行手动调节以校准时间 每逢整点 产生报时音报时 设计提示 主控电路计数器模块扫描显示 主控电路 A B 模式选择 AB 00为模式0 计时状态 AB 01为模式1 手动校时状态 AB 10为模式2 闹钟设置状态 Turn turn 0时 在手动校对时 选择调整分钟部分 turn 1时 在手动校对时 选择调整小时部分 Change 在手动校时或闹钟设置模式下 每按一次 计数器加1 Reset reset 0时 整个系统复位 reset 1时 系统计时或其它特殊功能操作 Reset1 reset1 0时 关闭闹铃信号 reset1 1时 可对闹铃进行设置 状态显示信号 发光管 LD alert 指示是否设置了闹铃功能 LD h 指示当前调整的是小时信号 LD m 指示当前调整的是分钟信号 拔河游戏机 设计要求 设计一个能进行拔河游戏的电路 电路使用15个 或9个 发光二极管表示拔河的 电子绳 开机后只有中间一个发亮 此即拔河的中心点 游戏双方各持一个按钮 迅速地 不断地按动 产生脉冲 谁按得快 亮点就向谁的方向移动 每按一次 亮点移动一次 亮点移到任一方终端二极管时 这一方就获胜 此时双方按钮均无作用 输出保持 只有复位后才使亮点恢复到中心 由裁判下达比赛开始命令后 甲乙双方才能输入信号 否则 输入信号无效 用数码管显示获胜者的盘数 每次比赛结束自动给获胜方加分 设计提示 加 减计数器译码器得分计数显示电路 数字式竞赛抢答器 设计要求 设计一个可容纳四组参賽的数字式抢答器 每组设一个按钮供抢答使用 抢答器具有第一信号鉴别和锁存功能 使除第一抢答者外的按钮不起作用 设置一个主持人 复位 按钮 主持人复位后 开始抢答 第一信号鉴别锁存电路得到信号后 用指示灯显示抢答组别 扬声器发出 秒的音响 设置犯规电路 对提前抢答和超时答题 例如3分钟 的组别鸣笛示警 并由组别显示电路显示出犯规组别 设置一个计分电路 每组开始预置 分 由主持人记分 答对一次加 分 答错一次减 分 设计提示 鉴别锁存模块答题计时模块计分电路模块扫描显示模块 1 此模块的关键是准确判断出第一抢答者并将其锁存 实现的方法可使用触发器或锁存器 在得到第一信号后将输入封锁 使其它组的抢答信号无效 2 形成第一抢答信号后 用编码 译码及数码显示电路显示第一抢答者的组别 控制扬声器发出音响 并启动答题计时电路 鉴别锁存模块 洗衣机控制器 设计要求 设计一个洗衣机洗涤程序控制器 控制洗衣机的电机作如下规律运转 用两位数码管预置洗涤时间 分钟数 洗涤过程在送入预置时间后开始运转 洗涤中按倒计时方式对洗涤过程作计时显示 用LED表示电机的正 反转 如果定时时间到 则停机并发出音响信号 设计提示 洗涤预置时间编码模块减法计数显示时序电路译码驱动模块 数字频率表 设计要求 1 设计一个能测量方波信号频率的频率计 测量结果用十进制数显示 2 测量的频率范围是1 10KHz 分成两个频段 即1 999Hz 1KHz 10KHz 用三位数码管显示测量频率 用LED显示表示单位 如亮绿灯表示Hz 亮红灯表示KHz 3 具有自动校验和测量两种功能 即能用标准时钟校验测量精度 4 具有超量程报警功能 在超出目前量程档的测量范围时 发出灯光和音响信号 设计提示 脉冲信号的频率就是在单位时间内所产生的脉冲个数 其表达式为f N T f为被测信号的频率 N为计数器所累计的脉冲个数 T为产生N个脉冲所需的时间 所以 在1秒时间内计数器所记录的结果 就是被测信号的频率 测量 校验选择模块 计数器模块送存选择报警模块锁存模块扫描显示模块 测量 校验选择模块 输入信号 选择信号selet被测信号meas测试信号test输出信号 CP1当selet 0时 为测量状态 CP1 meas 当selet 1时 为校验状态 CP1 test 校验与测量共用一个电路 只是被测信号CP1不同而已 设置1秒定时信号 周期为2秒 在1秒定时时间内的所有被测信号送计数器输入端 计数器对CP1信号进行计数 在1秒定时结束后 将计数器结果送锁存器锁存 同时将计数器清零 为下一次采样测量做好准备 设置量程档控制开关K 单位显示信号Y 当K 0时 为1 999Hz量程档 数码管显示的数值为被测信号频率值 Y显示绿色 即单位为Hz 当K 1时 为1KHz 10KHz量程档 被测信号频率值为数码管显示的数值乘1000 Y显示红色 即单位为KHz 设置超出量程档测量范围示警信号alert 计数器由四级十进制计数构成 带进位C 若被测信号频率小于1KHz K 0 则计数器只进行三级十进制计数 最大显示值为999 Hz 如果被测信号频率超过此范围 示警信号驱动灯光 扬声器报警 若被测信号为1KHz 10KHz K 1 计数器进行四位十进制计数 取高三位显示 最大显示值为9 99KHz 如果被测信号频率超过此范围 报警 电子密码锁 设计要求 设计一个电子密码锁 在锁开的状态下输入密码 密码共4位 用数据开关K1 K10分别代表数字1 2 9 0 输入的密码用数码管显示 最后输入的密码显示在最右边的数码管上 即每输入一位数 密码在数码管上的显示左移一位 可删除输入的数字 删除的是最后输入的数字 每删除一位 密码在数码管的显示右移一位 并在左边空出的位上补充 0 用一位输出电平的状态代表锁的开闭状态 为保证密码锁主人能打开密码锁 设置一个万能密码 在主人忘记密码时使用 设计提示 密码输入删除控制模块寄存模块比较模块扫描显示模块 脉冲按键电话按键显示器 设计要求 设计一个具有7位显示的电话按键显示器 显示器应能正确反映按键数字 显示器显示从低位向高位前移 逐位显示按键数字 最低位为当前显示位 七位数字输入完毕后 电话接通 扬声器发出 嘟 嘟 接通声响 直到有接听信号输入 若一直没有接听 10秒钟后 自动挂断 显示器清除显示 扬声器停止 直到有新号码输入 设计提示 号码输入显示控制模块主控制模块扫描显示模块 乒乓球比赛游戏机 任务与要求 设计一个由甲 乙双方参赛 有裁判的3人乒乓球游戏机 用8个 或更多个 LED排成一条直线 以中点为界 两边各代表参赛双方的位置 其中一只点亮的LED指示球的当前位置 点亮的LED依此从左到右 或从右到左 其移动的速度应能调节 当 球 点亮的那只LED 运动到某方的最后一位时 参赛者应能果断地按下位于自己一方的按钮开关 即表示启动球拍击球 若击中 则球向相反方向移动 若未击中 则对方得1分 一方得分时 电路自动响铃3秒 这期间发球无效 等铃声停止后方能继续比赛 设置自动记分电路 甲 乙双方各用2位数码管进行记分显示 每计满21分为1局 甲 乙双方各设一个发光二极管 表示拥有发球权 每隔5次自动交换发球权 拥有发球权的一方发球才有效 设计思路 用双向移位寄存器的输出端控制LED显示来模拟乒乓球运动的轨迹 先点亮位于某一方的第1个LED 由击球者通过按钮输入开关信号 实现移位方向的控制 也可用计数译码方式实现乒乓球运动轨迹的模拟 如利用加 减计数器的2个时钟信号实现甲 乙双方的击球 由表示球拍的按钮产生计数时钟 计数器的输出状态经译码驱动LED发亮 任何时刻都保持一个LED发亮 若发亮的LED运动到对方的终点 但对方未能及时输入信号使其向相反方向移动 即失去1分 控制电路决定整个系统的协调动作 必须严格掌握各信号之间的关系 交通信号灯控制器 任务与要求 设计一个交通信号灯控制器 由一条主干道和一条支干道汇合成十字路口 在每个入口处设置红 绿 黄三色信号灯 红灯亮禁止通行 绿灯亮允许通行 黄灯亮则给行驶中的车辆有时间停在禁行线外 用红 绿 黄发光二极管作信号灯 用传感器或逻辑开关作检测车辆是否到来的信号 主干道处于常允许通行的状态 支干道有车来时才允许通行 主干道亮绿灯时 支干道亮红灯 支干道亮绿灯时 主干道亮红灯 主 支干道均有车时 两者交替允许通行 主干道每次放行45秒 支干道每次放行25秒 设立45秒 25秒计时 显示电路 在每次由绿灯亮到红灯亮的转换过程中 要亮5秒黄灯作为过渡 使行驶中的车辆有时间停到禁行线外 设立5秒计时 显示电路 设计思路 主 支干道用传感器检测车辆到来情况 实验电路用逻辑开关代替 45秒 25秒 5秒定时信号可用顺计时 也可用倒计时 计时起始信号由主控电路给出 定时结束信号也输入到主控电路 由主控电路启 闭三色信号灯或启动另一计时电路 设计思路 主控电路是核心 这是一个时序电路 其输入信号为 1 车辆检测信号 A B 2 45秒 25秒 5秒定时信号 C D E 其状态表为 状态主干道支干道时间0绿灯亮 允许通行红灯亮 禁止通行45秒1黄灯亮 停车红灯亮 禁止通行5秒2红灯亮 禁止通行绿灯亮 允许通行25秒3红灯亮 禁止通行黄灯亮 停车5秒 具体设计 时钟产生电路产生1HZ系统时钟 主控电路由两个JK触发器和逻辑门构成 其输出经译码后 控制主干道三色灯R G Y和支干道三色灯r g y 三个定时器分别产生45秒 25秒 5秒定时信号 电路都是计数器 并受主控电路和来自主 支干道车辆信号控制 每当计满所需时间 即向主控电路输出 时间到 信号 并使计数器清零 设 A 主干道车辆情况 有车为 1 无车为 0 B 支干道车辆情况 有车为 1 无车为 0 C 45秒定时信号 45秒定时已到为 1 45秒定时未到为 0 D 25秒定时信号 25秒定时已到为 1 25秒定时未到为 0 E 5秒定时信号 5秒定时已到为 1 5秒定时未到为 0 S0 S1 S2 S3 BAC 0 BAC 1 E 0 E 1 BAD 1 BAD 0 E 0 E 1 状态编码 S0 00S1 01S2 11S3 10若选JK触发器 其输出为Q2Q1则状态表为 ABCDEQ2nQ1nQ2n 1Q1n 1x0 xxx0000110 xx000001xxx0001111xx0001xxxx00101xxxx1011111x0 x111101xxx1111x0 xxx1110 xxxx01010 xxxxx1000 维持S045秒定时 由S0 S1 维持S1 由S1 S2 维持S2 由S2 S3 维持S3 由S3 S0 5秒定时 25秒定时 5秒定时 从状态表得状态方程得触发器驱动方程 45S 25S 5S定时器CP脉冲驱动方程 则主控电路和各定时电路如图1 5 3所示 计数器驱动脉冲如图1 5 4所示 译码驱动电路真值表 译码驱动电路如图1 5 5所示 此例也可以完全由VerilogHDL文件完成 具有四种信号灯的交通灯控制器 设计一个具有四种信号灯的交通灯控制器 设计要求是 由一条主干道和一条支干道汇合成十字路口 在每个入口处设置红 绿 黄 左拐允许四盏信号灯 红灯亮禁止通行 绿灯亮允许通行 黄灯亮则给行驶中的车辆有时间停在禁行线外 左拐灯亮允许车辆向左拐弯 信号灯变换次序为 主支干道交替允许通行 主干道每次放行40S 亮5S红灯让行驶中的车辆有时间停到禁行线外 左拐放行15秒 亮5S红灯 支干道放行30S 亮5S黄灯 左拐放行15秒 亮5S红灯 各计时电路为倒计时显示 系统框图如图4 7 1所示 彩灯控制器 任务与要求 设计一个彩灯控制器 使彩灯 LED管 能连续发出四种以上不同的显示形式 随着彩灯显示图案的变化 发出不同的音响声 总体设计方案 彩灯显示的不同形式可由不同进制计数器驱动LED显示完成 音响由不同频率CP脉冲驱动扬声器形成 简易电子琴 任务与要求 设计一个简易电子琴 利用实验箱的脉冲源产生1 2 3 共7个或14个音阶信号 用指示灯显示节拍 能产生颤音效果 出租车自动计费器 任务与要求 设计一个出租车自动计费器 具有行车里程计费 等候时间计费 及起价三部分 用四位数码管显示总金额 最大值为99 99元 行车里程单价1元 公里 等候时间单价0 5元 10分钟 起价3元 3公里起价 均能通过人工输入 总体设计方案 行车里程的计费电路将汽车行驶的里程数转换成与之成正比的脉冲数 然后由计数译码电路转换成收费金额 实验中以一个脉冲模拟汽车前进十米 则每100个脉冲表示1公里 然后用BCD码比例乘法器将里程脉冲乘以每公里单价的比例系数 比例系数可由开关预置 例如单价是1 0元